Cette batterie très dense en énergie pourrait presque doubler l’autonomie des véhicules électriques …

Répandre l'amour

Les scientifiques considèrent depuis longtemps les batteries lithium-métal comme une technologie idéale pour le stockage de l’énergie, exploitant le métal le plus léger du tableau périodique pour fournir des cellules remplies d’énergie.

Mais les chercheurs et les entreprises ont essayé et échoué pendant des décennies à produire des versions rechargeables abordables qui n’avaient pas la mauvaise habitude de prendre feu.

Puis plus tôt cette année, Jagdeep Singh, le PDG de QuantumScape, a déclaré dans une interview avec The Mobilist que la société furtive et fortement financée de la Silicon Valley avait résolu les principaux défis techniques. Il a ajouté que VW s’attend à avoir les batteries dans ses voitures et camions d’ici 2025, promettant de réduire les coûts et d’augmenter l’autonomie de ses véhicules électriques.

Après son introduction en bourse en novembre, QuantumScape est désormais évalué à environ 20 milliards de dollars, bien qu’il n’ait pas encore de produit ou de revenus (et aucune attente que ce soit jusqu’en 2024). VW a investi plus de 300 millions de dollars dans l’entreprise et a créé une coentreprise avec QuantumScape pour fabriquer les batteries. La société a également levé des centaines de millions auprès d’autres grands investisseurs.

Pourtant, jusqu’à présent, Singh avait révélé peu de détails sur la batterie, incitant les chercheurs, les rivaux et les journalistes à parcourir les dépôts de brevets, les documents d’investisseurs et d’autres sources pour trouver des indices sur ce que l’entreprise avait précisément réalisé – et comment.

Dans une annonce à la presse le mardi 8 décembre, QuantumScape a finalement fourni les résultats techniques des tests en laboratoire. Sa technologie est une batterie à semi-conducteurs, ce qui signifie qu’elle utilise un électrolyte solide au lieu du liquide sur lequel la plupart des batteries comptent pour favoriser le mouvement des atomes chargés à travers l’appareil.

De nombreux chercheurs et entreprises explorent la technologie à l’état solide pour une variété de chimies de batteries, car cette approche a le potentiel d’améliorer la sécurité et la densité d’énergie, bien que le développement d’une version pratique se soit avéré difficile.

La société, basée à San Jose, en Californie, retient toujours certains détails sur sa batterie, y compris certains des matériaux et processus clés qu’elle utilise pour la faire fonctionner. Et certains experts restent sceptiques que QuantumScape a vraiment relevé les défis techniques délicats qui rendraient possible une batterie lithium-métal dans les véhicules commerciaux au cours des cinq prochaines années.

Résultats de test

Dans une interview accordée au MIT Technology Review, Singh a déclaré que la société a montré que ses batteries répondront efficacement à cinq besoins clés des consommateurs qui ont jusqu’à présent empêché les véhicules électriques de surpasser 2% des ventes d’automobiles neuves aux États-Unis: réduction des coûts, plus grande autonomie, temps de charge plus courts, durée de vie totale plus longue sur la route et sécurité améliorée.

«Toute batterie qui peut répondre à ces exigences peut vraiment ouvrir les 98% du marché d’une manière que vous ne pouvez pas faire aujourd’hui», dit-il.

Jagdeep Singh, PDG de QuantumScape

COURTOISIE: QUANTUMSCAPE

En effet, les performances de QuantumScape sont remarquables.

Les batteries peuvent se charger à 80% de leur capacité en moins de 15 minutes. (MotorTrend a trouvé que le V3 Supercharger de Tesla a fait passer un modèle 3 de 5% à 90% en 37 minutes, lors d’un test l’année dernière.) Et ils conservent plus de 80% de leur capacité sur 800 cycles de charge, ce qui équivaut approximativement à parcourir 240000 miles. En fait, la batterie montre peu de dégradation même lorsqu’elle est soumise à des cycles de charge et de décharge agressifs.

Enfin, la société affirme que la batterie est conçue pour atteindre une autonomie qui pourrait dépasser de plus de 80% celle des véhicules électriques équipés de batteries lithium-ion standard, bien que cela n’ait pas encore été testé directement.

«Les données de QuantumScape sont assez impressionnantes», déclare Paul Albertus, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l’Université du Maryland et auparavant directeur du programme du programme IONICS axé sur l’état solide de l’ARPA-E, qui n’a aucune affiliation ou relation avec l’entreprise.

La société «est allée beaucoup plus loin que d’autres choses que j’ai vues» dans les batteries lithium-métal, ajoute-t-il: «Ils ont couru un marathon alors que tout le monde a fait un 5 km.»

Comment ça fonctionne

Alors, comment ont-ils réussi tout cela?

Dans une batterie lithium-ion standard dans une voiture électrique aujourd’hui, l’une des deux électrodes (l’anode) est principalement en graphite, qui stocke facilement les ions lithium qui font la navette entre la batterie. Dans une batterie lithium-métal, cette anode est constituée de lithium lui-même. Cela signifie que presque tous les électrons peuvent être mis au travail pour stocker de l’énergie, ce qui explique le potentiel de densité d’énergie plus élevé.

Mais cela crée quelques grands défis. La première est que le métal est très réactif, donc s’il entre en contact avec un liquide, y compris l’électrolyte qui supporte le mouvement de ces ions dans la plupart des batteries, il peut déclencher des réactions secondaires qui dégradent la batterie ou la font brûler. La seconde est que le flux d’ions lithium peut former des formations en forme d’aiguilles appelées dendrites, qui peuvent percer le séparateur au milieu de la batterie, court-circuitant la cellule.

Au fil des ans, ces problèmes ont conduit les chercheurs à essayer de développer des électrolytes à l’état solide qui ne réagissent pas avec le lithium métal, en utilisant des céramiques, des polymères et d’autres matériaux.

L’une des innovations clés de QuantumScape a été le développement d’un électrolyte céramique à l’état solide qui sert également de séparateur. À peine quelques dizaines de micromètres d’épaisseur, il supprime la formation de dendrites tout en permettant aux ions lithium de passer facilement dans les deux sens. (L’électrolyte à l’autre extrémité de la batterie, du côté cathode, est un gel d’une certaine forme, donc ce n’est pas une batterie à semi-conducteurs.)

Singh refuse de spécifier le matériel qu’ils utilisent, affirmant que c’est l’un de leurs secrets commerciaux les plus étroitement gardés. (Certains les experts en batterie soupçonnent, sur la base des dépôts de brevets, qu’il s’agit d’un oxyde connu sous le nom de LLZO.) Il a fallu cinq ans; le développement de la bonne composition et du bon processus de fabrication pour éviter les défauts et les dendrites a nécessité cinq autres.

La société estime que le passage à la technologie à semi-conducteurs rendra les batteries plus sûres que la variété lithium-ion sur le marché aujourd’hui, qui prennent encore parfois feu eux-mêmes dans des circonstances extrêmes.

L’autre grand avantage est que la batterie est fabriquée sans anode distincte. (Voir QuantumScape’s vidéo ici pour avoir une meilleure idée de sa conception «sans anode».)

Au fur et à mesure que la batterie se charge, les ions lithium du côté cathode traversent le séparateur et forment une couche parfaitement plate entre celui-ci et le contact électrique à l’extrémité de la batterie. Presque tout ce lithium retourne ensuite à la cathode pendant le cycle de décharge. Cela élimine le besoin de tout matériau d’anode «hôte» qui ne contribue pas directement au travail de stockage d’énergie ou de transport de courant, ce qui réduit encore le poids et le volume nécessaires. Cela devrait également réduire les coûts de fabrication, dit l’entreprise.

Risques restants

Il y a un hic, cependant: les résultats de QuantumScape sont des tests de laboratoire effectués sur des cellules monocouches. Une vraie batterie automobile devrait avoir des dizaines de couches fonctionnant toutes ensemble. Passer de la ligne pilote à la fabrication commerciale est un défi important dans le stockage de l’énergie, et le point auquel de nombreuses startups de batteries autrefois prometteuses ont échoué.

Albertus note qu’il existe une riche histoire de réclamations prématurées de percées dans la batterie, de sorte que toute nouvelle est accueillie avec scepticisme. Il aimerait voir QuantumScape soumettre les cellules de l’entreprise aux types de tests indépendants que les laboratoires nationaux effectuent, dans des conditions standardisées.

D’autres observateurs du secteur ont exprimé des doutes sur le fait que l’entreprise pourrait réaliser les tests de mise à l’échelle et de sécurité nécessaires pour mettre des batteries dans des véhicules sur la route d’ici 2025, si l’entreprise n’avait jusqu’à présent testé rigoureusement que des cellules monocouche.

Sila Nanotechnologies, une startup de batteries concurrente développant un autre type de matériaux d’anode denses en énergie pour les batteries lithium-ion, a publié un papier blanc un jour avant l’histoire de Mobilist qui met en lumière une litanie de défis techniques pour les batteries lithium-métal à semi-conducteurs. Il note que bon nombre des avantages théoriques du lithium-métal se réduisent à mesure que les entreprises s’orientent vers des batteries commerciales, étant donné toutes les mesures supplémentaires nécessaires pour les faire fonctionner.

Mais le document souligne que la partie la plus difficile sera de relever le défi du marché: rivaliser avec l’énorme infrastructure mondiale déjà en place pour s’approvisionner, produire, expédier et installer des batteries lithium-ion.

Paris massifs

D’autres observateurs, cependant, affirment que les progrès récents dans le domaine indiquent à la fois que les batteries lithium-métal dépasseront considérablement la densité énergétique de la technologie lithium-ion et que les problèmes qui retiennent le champ peuvent être résolus.

«Avant, nous aurions des batteries lithium-métal; maintenant, il s’agit de savoir quand nous les aurons », déclare Venkat Viswanathan, professeur associé à Carnegie Mellon qui a fait des recherches sur les batteries lithium-métal (et a effectué des travaux de conseil pour QuantumScape).

Singh a reconnu que l’entreprise était toujours confrontée à des défis, mais il insiste sur le fait qu’ils sont liés à l’ingénierie et à la mise à l’échelle de la fabrication. Il ne pense pas que des percées supplémentaires dans la chimie soient nécessaires.

Il a également noté que la société disposait désormais de plus d’un milliard de dollars, ce qui lui offrait une piste considérable pour se rendre à la production commerciale.

Interrogé sur les raisons pour lesquelles les journalistes devraient avoir confiance dans les résultats de l’entreprise sans bénéficier de conclusions indépendantes, Singh a souligné qu’il partageait autant de données que possible pour être transparent. Mais il ajoute que QuantumScape n’est pas «dans le domaine de la recherche universitaire».

«Aucune offense, mais nous ne nous soucions pas vraiment de ce que vous pensez», dit-il. «Les personnes qui nous tiennent à cœur sont nos clients. Ils ont vu les données, ils ont effectué les tests dans leur propre laboratoire, ils ont vu que cela fonctionne et, par conséquent, ils font des paris massifs sur cette entreprise. VW a tout mis en œuvre. »

En d’autres termes, le véritable test pour savoir si QuantumScape a résolu les problèmes aussi complètement qu’il le prétend est de savoir si le géant allemand de l’automobile met des voitures équipées de batteries sur la route d’ici 2025.

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